[論文レビュー] Hidden Thresholds: A Technique for Reconstructing New Physics Masses at Hadron Colliders

Peisi Huang, N. Kersting+1 more|ArXiv.org|Jan 31, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、ハドロン衝突加速器におけるニューエイジス（NP）質量の再構築を、多粒子崩壊チェインにおける相関するインバリアント質量エンドポイントを活用することで、母粒子系の重心系エネルギーが測定不能であっても可能にする「隠れたしきい値」（HT）手法を提案する。この手法により、最終状態のジェットおよびレプトンのインバリアント質量の2次元または3次元の散乱図において、しきい値生成点が明確なクラスタとして可視化され、質量の高精度決定が可能となる。低出力のLHC運転（10–30 fb⁻¹）において、ニュートラーリノおよびスlepton質量について10%未塔の精度で再構築可能であることが示された。

ABSTRACT

We present an improved method of reconstructing New Physics (NP) masses from invariant mass endpoints. While the traditional method focuses on a single NP decay, our method considers the decays of two or more NP particles ($ABC...$) in a grander decay chain: $ anything o ABC... o ... o jets + leptons$. Though the center-of-mass energy $E_{CM}$ of `anything' varies unpredictably at a hadron collider, a sample of many events nonetheless expresses features of threshold production $E_{CM} = m_A + m_B + ...$: invariant masses constructed from the final jet and lepton momenta are correlated in a way that makes their threshold endpoints visually obvious in a scatterplot. We illustrate this technique for the production of two neutralinos in the MSSM: $anything o \widetildeχ_{i}^0 \widetildeχ_{j}^0$ ($i,j=2,3,4$) which subsequently decay via on- or off-shell sleptons to four leptons. Assuming the relevant SUSY spectrum is below $1 TeV$ and squarks/gluinos eventually decay to neutralinos, our MC study shows that one low-luminosity year at the LHC ($10-30 fb^{-1}$) can quantitatively determine on- versus off-shell decays and find the relevant neutralino and slepton masses to less than 10 percent.

研究の動機と目的

• 部分的重心系エネルギーが調整不能で、共鳴状態が存在しないハドロン衝突加速器におけるニューエイジス質量測定の課題に対処すること。
• 排他的チャンネル、バックグラウンド抑制、フィッティング手順に依存する従来のエンドポイント手法の限界を克服すること。
• 複数のニューエイジス粒子を含む複雑な崩壊チェインにおいて、しきい値生成信号を特定・抽出するモデルに依存しない手法を開発すること。
• 高出力データや複雑なフィッティング手順を必要とせず、特にニュートラーリノおよびスlepton質量に対して、強固で定量的な質量決定を可能にすること。

提案手法

• しきい値生成時において複数のインバリアント質量が同時に極値をとる、複数のニューエイジス粒子を含む崩壊チェイン（例：$\tilde{\chi}_i^0 \tilde{\chi}_j^0 \to \ell^+\ell^-\ell^+\ell^-$）を特定する。
• ニューエイジス質量の関数としてインバリアント質量エンドポイント（例：$M_{4l}$、$\overline{M}_{2l2l}$、$\overline{M}_{3l}$）の解析的表現を構築する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、しきい値を超える生成も含めた$ m_{\mathbb{X}} $の範囲でイベントを生成し、インバリアント質量相関を調査する。
• 例えば$\overline{M}_{3l}$ 対 $M_{4l}$ のようなインバリアント質量のペアをプロットすることで、しきい値点に明確なクラスタリングが生じることを明らかにし、しきい値を超えるイベントによってもその特徴が隠されないことを示す。
• 散乱図におけるしきい値点の可視性を活用し、フィッティングを一切行わず、幾何的交点や擬似しきい値を用いて直接質量値を抽出する。
• 散乱図におけるインバリアント質量極値の相対的挙動を分析することで、オンシェル・オフシェルのスlepton崩壊を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 部分的重心系エネルギーが測定不能であっても、多粒子ニューエイジス崩壊チェインにおけるインバリアント質量の散乱図で、しきい値生成が視覚的に同定可能か？
• RQ2 しきい値を超えるイベントを含めることで、多インバリアント質量相関において、しきい値信号が曇るのではなく強化されるか？
• RQ3 隠れたしきい値手法により、共鳴フィッティングやバックグラウンドモデル化に依存せず、複数のニューエイジス粒子（例：ニュートラーリノおよびスlepton）の質量を高精度で決定可能か？
• RQ4 低出力の実際のLHC環境下で、この手法がオンシェルとオフシェルのスlepton崩壊をどの程度の精度で区別できるか？
• RQ5 この手法は、MSSMを越える他のニューエイジスモデルへ一般化可能か、その範囲はどの程度か？

主な発見

• 隠れたしきい値手法により、しきい値生成点が、しきい値を超えるイベントと重なっても、2次元のインバリアント質量散乱図において明確なクラスタとして可視化される。
• オンシェルのスlepton崩壊では、$\overline{M}_{3l}$ 対 $M_{4l}\overline{M}_{2l2l}$ の散乱図における擬似しきい値を特定することで、真の値から数パーセントの精度で質量分解能が達成される。
• オフシェルのスlepton崩壊では、$M_{ee}$（または$M_{\mu\mu}$）が最大値を示す一方で、$M_{4l}$、$\overline{M}_{2l2l}$、$\overline{M}_{3l}$、$\overline{M}_{ll}$ が最小値を示すことで、崩壊モードを区別できる。
• 低出力のLHC運転（10–30 fb⁻¹）において、この手法によりニュートラーリノおよびスlepton質量を10%未塔の精度で決定可能であり、実験的条件下での実現可能性が示された。
• バックグラウンドイベントはしきい値イベントと同一のインバリアント質量相関を再現しないため、この手法は拡散的バックグラウンドに対して頑健である。
• この手法は、ニュートラーリノ、チルジンオ、スlepton、スクォーク、グルーギノ、および特異粒子対生成を含む、広範なニューエイジスモデルに一般化可能であり、複雑な崩壊チェインで最大588個のインバリアント質量まで対応可能である。